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Colloidal particles and surfactants are commonly used, either individually or combined, as stabilisers of emulsions and foams. While the properties of surfactants and particles under a range of conditions and concentrations are relatively well known, there are some areas that require further investigation. The wettability of colloidal particles is one of the main factors that determine how they behave in a given system but determining the wettability is difficult due to the small size of the particles. The Film Calliper Method (FCM) has been proposed as a simple technique for the direct measurement of the contact angles of micrometer and submicrometer particles in their natural environment. One of the main aims of this work was to develop the Film Calliper Method for measuring contact angles at oil -water interfaces. The FCM was therefore used to measure the contact angles at oil - water interfaces for a range of particles, such as latex and silica particles, in different systems. For the first time directly measured contact angles are linked to the types of emulsions stabilised by the particles. The FCM was also used to directly measure the contact angles of silica particles in cationic surfactant solutions at air and oil interfaces for the first time. The stability of foams and emulsions made with particle - surfactant mixtures were investigated and related to the particle contact angles. Janus particles are a special category of particles which have different properties on each hemisphere. A method for making Janus particles was developed using template silica particles masked with a polymerised Pickering emulsion. The portion of surface exposed for treating can be tuned by controlling the inherent wettability of the template particles as proven with fluorescence microscopy. Emulsions stabilised by amphiphilic Janus particles made with the method are compared with emulsions stabilised by homogeneous particles with similar wettability.

Le comportement de différents systèmes ternaires eau/huile/surfactif dans des puces microfluidiques de configuration « flow focusing » a été étudié sur la base du concept de "formulation optimale". L’influence des variables de formulation (nature du surfactif, polarité de l'huile (caractérisée par son "Equivalent Alkane Carbon Number" ou EACN), salinité de la phase aqueuse, température) et des variables de procédé (débit des phases aqueuses et huileuses, diamètre et mouillabilité des micro-canaux) sur le comportement de flux des systèmes biphasiques eau/huile en présence de surfactifs non ioniques (e.g. alcools gras polyéthoxylés), anioniques (e.g. dodécylsulfate de sodium) et cationiques (sels d'alkylammonium) a été examiné. La prédominance du comportement « jet flow » à l’approche de la « formulation optimale » permet la comparaison des tensioactifs, comme la méthode des balayages de formulation mais en nécessitant moins de réactif et moins de temps. Des émulsions Tween 80-Span 20/esters/eau, pour des applications en cosmétique, ont ainsi été formulées et caractérisées. Par ailleurs, les avantages de la technologie des microréacteurs ont été démontrés par le développement d’un réacteur à flux continu pour l’oxydation catalytique par le peroxyde d'hydrogène en émulsions de Pickering exemptes de solvant et stabilisées par des complexes à base de cyclodextrines. La comparaison des résultats obtenus à ceux des réactions menées en réacteur classique a mis en évidence un accroissement considérable de la vitesse de réaction. / The behavior of various ternary surfactant/oil/water systems in microfluidic chips with flow focusing configuration has been studied based on the concept of "optimal formulation." The influence of formulation variables (nature of the surfactant, polarity of oil (characterized by its "Equivalent Carbon Number Alkane" or EACN) salinity of the aqueous phase, temperature) and process variables (flow rate of the aqueous and oil phases, diameter and wettability of the micro-channels) on the flow behavior of water/oil biphasic systems in the presence of nonionic surfactants (e.g. polyoxyethylene fatty alcohols), anionic (e.g. sodium dodecyl sulfate) and cationic (alkylammonium salts) was examined. The predominance of the "jet flow" behavior in the vincinity of the so called “optimal formulation” allows the comparison of surfactants, similarly to scans formulation consuming less products and requaring a shorter time. Emulsions Tween 80-Span 20/esters/water for applications in cosmetics, have been prepared and characterized. Furthermore, the benefits of the microreactors technology were demonstrated by the development of a continuous flow reactor for the catalytic oxidation with hydrogen peroxide in free solvent Pickering emulsion stabilized by complexes with cyclodextrins. Comparison of the results performed in batch reactor showed a significant improvement in the reaction rate.

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Des zéolithes de type BETA stabilisées sous forme de suspension colloïdale ont été fonctionalisées par la formation de nanoparticules d’argent confinées dans le volume microporeux. L’argent a été introduit dans la charpente zéolithique par échange ionique, puis les nanoparticules d’argent ont été formées par réduction chimique au moyen de la triéthyleamine. L’étude a portée sur deux types d’échantillons, 1Ag-BEA et 2AgBEA, se différentiant l’un de l’autre par le rapport Si:Al de la charpente zéolithique, égale à 12 et 8.5, respectivement. Un protocole pour la préparation de nanoparticules d’argent stables dans les zéolithes BETA a été établit. Les matériaux obtenus ont été caractérisés par ICP, diffraction X, thermogravimétrie, microscopie électronique à balayage et microscopie électronique à transmission (HRTEM). Les spectres d’absorption UV-Vis des suspensions colloidales, et les images HRTEM confirment la formation de nanoparticules d’argent de taille sub-nanométrique confinées dans les nanocristaux de zéolithe. La réponse plasmonique ultrarapide des suspensions colloïdales a été étudiée par spectroscopie d’absorption transitoire femtoseconde. Les spectres d’absorption transitoires ont été mesurés après excitation par une impulsion laser de 100 fs, à 400 nm. L’analyse des spectres d’absorptions a permis d’identifier les différentes étapes de la relaxation des électrons chauds formées par absorption de l’énergie lumineuse dans la bande de conduction. La dynamique du couplage électron-phonon a été étudiée, et analysée dans le cadre du modèle à deux températures (TTM). L’analyse des résultats montre qu’une partie importante de l’énergie initialement injectée ne relaxe pas vers le réseau de phonon de la nanoparticule. Finalement, la réactivité de ces matériaux vis-à-vis du monoxyde de carbone a été caractérisée par spectroscopie FT-IR in-situ. Ces mesures ont permis notamment de confirmer la dispersion des nanoparticules d’argent dans la matrice. Ce résultat est important en vue d’application de ces matériaux dans le domaine de la plasmonique chimique. / BEA-type zeolites stabilized in colloidal suspensions were functionalized with silver nanoparticles confined in their microporous volume. Silver was introduced into the zeolitic framework by ion-exchange. Silver nanoparticles were then formed via chemical reduction using triethylamine as a reducing agent. The study was performed on two samples: 1Ag-BEA and 2Ag-BEA, having different Si : Al ratio of 12 and 8.5, respectively. A protocol for the preparation of stabilized silver nanoparticles in BEA zeolite was established. The prepared silver-containing BEA suspensions were characterized by ICP, X-ray diffraction, thermogravimetry, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy (HRTEM). The UV-vis absorption spectra of the colloidal suspensions and the HRTEM pictures reveal the formation of ultra-small silver nanoparticles confined in the zeolite nanocrystals. The ultra-fast plasmonic response of the colloidal suspensions was investigated by using femtosecond transient absorption spectroscopy. The transient absorption spectra were recorded after excitation of the sample by 100 fs laser pulses at 400 nm inducing the formation of hot electrons in the conduction band. Assignment of the absorption spectra to the steps of hot electron relaxation was identified. The dynamics of electron-phonon coupling was analyzed in the frame of two-temperature model TTM. Results show that, a part of the energy initially injected inside the conduction band doesn’t relax to the phonons of silver nanoparticles. In addition, the reactivity of Ag-BEA to carbon monoxide was characterized by in-situ FTIR spectroscopy. These measurements were used to confirm the dispersion of silver nanoparticles in the matrix of BEA. The photoactivity and reactivity of Ag-BEA samples make them attractive for plasmonic chemistry applications.

The Dynamic Model for Aerosol Nucleation (DMAN) is a model which simulates nucleation, gas-phase chemistry, coagulation and condensation/evaporation for a multi-component atmospheric aerosol population. We developed an updated version of DMAN which includes the condensation of organic vapors on nanoparticles, using the recently developed Volatility Basis Set framework, and simulates the gas phase chemistry using the chemical mechanism SAPRC-99. The simulations were performed for two locations with different organic sources; Hyytiala (Finland) and Finokalia (Greece). Initially, we compared the results of the extended DMAN model with the old version which does not include the condensation of organics. The condensation of organics neglecting the Kelvin effects resulting in an approximate doubling of the growth rate of new particles. The number predicted concentration of particles above 3 nm (N3) and 100 (N100) increased at both locations. The increase of surface tension decreased dramatically the growth rate and the diameter that the new particles reached. The predicted concentration of N100 decreased at Hyytiala but increased at Finokalia, while the concentration of N3 decreased in both locations. Condensation of semi-volatile organic vapors, assuming realistic values of the organic surface energy, cannot explain the observed growth rates in Hyytiala during typical nucleation events. The simulations with production and condensation of low-volatility organics and a surface tension of 0.025 N m-1 indicate that the model can reproduce well the field measurements. The addition of chemical aging reactions converting semi-volatile organic aerosol (OA) to low volatility compounds helped the model to better reproduce the observed growth of the fresh particles. At Hyytiala, the organics are the major components during the growth process of new particles. The low-volatility secondary OA helps the growth initially, but after a few hours most of the growth is due to semi-volatile secondary OA components. At Finokalia, the simulation shows that the organic components have a complementary role for the growth contributing 45% of the total mass of new particles. / Το Δυναμικό Μοντέλο Πυρηνογένεσης Σωματιδίων (DMAN) είναι ένα μοντέλο το όποιο προσομοιώνει την πυρηνογένεση, την χημεία στην αέρια φάση, την συσσωμάτωση και την συμπύκνωση/εξάτμιση για ένα πολυσυστατικό πληθυσμό σωματιδίων. Εμείς αναπτύξαμε μια ανανεωμένη έκδοση του DMAN, το όποιο περιλαμβάνει και την συμπύκνωση των οργανικών ατμών πάνω στα νανοσωματίδια, χρησιμοποιώντας την πρόσφατη προσέγγιση Volatility Basis Set και προσομοιώνοντας την αέρια χημεία με την χρήση του χημικού μηχανισμού SAPRC-99. Οι προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν για δυο τοποθεσίες με διαφορετικές πήγες οργανικών: Hyytiala (Φινλανδία) και Φινοκαλιά (Ελλάδα). Αρχικά, εμείς συγκρίναμε τα αποτελέσματα του εκτεταμένου DMAN μοντέλου με την παλιά έκδοση, η όποια δεν περιλαμβάνει την συμπύκνωση των οργανικών. Η συμπύκνωση των οργανικών παραμελώντας το Kelvin effect έχει σαν αποτέλεσμα τον διπλασιασμό του ρυθμού ανάπτυξης των νέων σωματιδίων. Η προβλεπόμενη συγκέντρωση αριθμού των σωματιδίων πάνω από 3 nm (N3) και 100 (N100) αυξήθηκε και στις δύο τοποθεσίες. Η αύξηση της επιφανειακής τάσης μειώνει δραματικά το ρυθμό ανάπτυξης και την διάμετρο που φτάνουν τα νέα σωματίδια. Η προβλεπόμενη συγκέντρωση των N100 μειώθηκε στη Hyytiala αλλά αυξήθηκε στην Φινοκαλιά, ενώ η συγκέντρωση του Ν3 μειώθηκε και στις δύο περιοχές. Η συμπύκνωση των ημι-πτητικών οργανικών ατμών, θεωρώντας ρεαλιστικές τιμές της επιφανειακής ενέργειας των οργανικών ατμών, δεν μπορεί να εξηγήσει το παρατηρούμενο ρυθμό ανάπτυξης στην Hyytiala κατά τη διάρκεια μιας τυπικής μέρας με πυρηνογένεση. Οι προσομοιώσεις με παραγωγή και συμπύκνωση οργανικών με χαμηλή πτητικότητα και επιφανειακή τάση 0.025 N m-1 δείχνουν ότι το μοντέλο μπορεί να αναπαράγει καλά τις μετρήσεις πεδίου. Η προσθήκη των χημικών αντιδράσεων γήρανσης μετατρέπουν τα ημι-πτητικά οργανικά αεροζόλ (ΟΑ) σε ενώσεις με χαμηλή πτητικότητα, αυτές βοηθούν το μοντέλο να αναπαράγει καλύτερα την παρατηρούμενη ανάπτυξη των φρέσκων σωματιδίων. Στην Hyytiala, τα οργανικά είναι τα κύρια συστατικά κατά τη διαδικασία της ανάπτυξης νέων σωματιδίων. Τα χαμηλής πτητικότητας δευτερογενή ΟΑ βοηθά στην ανάπτυξη αρχικά, αλλά μετά από μερικές ώρες το μεγαλύτερο μέρος της αύξησης οφείλεται στα ημι-πτητικά δευτερογενή ΟΑ. Στη Φινοκαλιά, η προσομοίωση δείχνει ότι τα οργανικά συστατικά έχουν ένα συμπληρωματικό ρόλο για την ανάπτυξη συμβάλλοντας 45% της συνολικής μάζας των νέων σωματιδίων.

Les carraghénanes (Car) sont des polysaccharides linéaires sulfatés extraits d’algues rouges et sont très utilisés en tant qu’épaississants et gélifiant en industrie. Les rendements d’extraction ainsi que les propriétés physicochimiques de Car extraits de différentes espèces cultivées dans la baie de Cam Ranh au Vietnam ont été déterminés. Pour les variantes kappa et iota, les propriétés rhéologiques et de la microstructure en solution seuls ou en mélange à différentes concentrations en présence de CaCl2 ou de KCl. Leurs mélanges présentent une gélification thermique en deux étapes qui correspondent chacune aux gélifications du kappa et iota seuls. Cependant, pour les mélanges, l’élasticité du gel est nettement supérieure à la somme de celle des Car seuls. Des mesures en microscopie confocale et de turbidimétrie ont démontré que les gels obtenus avec le kappa étaient toujours plus turbides que ceux avec l’iota mais étaient moins turbides dans les mélanges. Au vus des résultats, un mécanisme de séparation de phase microscopique entre les deux Car semble très peu probable. Des mesures de FRAP (Recouvrance de Fluorescence Après Photo-blanchiment) ont permis de sonder la mobilité des chaînes de Car dans les gels pour les systèmes individuels ou les mélange. Dans tous les cas, il a été observée qu’une fraction des chaînes de Car reste mobile dans les gels. Cette fraction mobile varie de 25% à 75% selon le type de Car et le type/concentration en sel. Cette fraction n’est pas corrélée à la dureté du gel quelles que soient les conditions opératoires. De plus, il a été démontré que les chaines relarguées sont plus petites que la moyenne de l’échantillon initial. / Carrageenan (Car) is a polysaccharide extracted from red algae and is widely used as thickener, stabilizer and gelling agent in various products. Properties of Car extracted from different algae species cultured at Cam Ranh Bay in Vietnam were characterized. Kappa car extracted from K. alvarezii and iota Car from E.denticulatum were selected to study the rheological properties and the microstructure of individual and mixed car solutions in presence of CaCl2 and KCl. Mixtures showed a two-step gelation process with gelation temperatures that coincided with those of corresponding individual kappa and iota Car solutions. However, the stiffness of the mixed gels was much higher than the sum of the corresponding individual gels. Confocal laser scanning microscopy and turbidity measurements showed that the kappa Car gel was always more heterogeneous than the iota Car gel, but less in the mixture than in the individual system. The results show that microphase separation of iota and kappa Car in mixed gels is highly unlikely.The mobility of Car chains in individual gels of kappa and iota Car and their mixtures was determined using fluorescence recovery after photobleaching. Slow recovery was observed for the gels showing that a fraction of the Car chains remained mobile. The fraction of mobile chains in the gels varied between 25% and 75% depending on the type of Car and the type and concentration of salt. The fraction of mobile chains in gels was not correlated to the gel stiffness. These results were confirmed by the release of Car from gel fragments into excess solvent. It was found that released Car chains were smaller than the average size of the initial Car sample.

Dans cette thèse, des matériaux alvéolaires modèles sous forme de mousses réticulées et/ou cellulaires en carbone vitreux ont été préparés pour en étudier et en modéliser les propriétés physiques. Les mousses de carbone cellulaires ont été obtenues par pyrolyse sous azote de mousses rigides constituées principalement de tannins et d’alcool furfurylique, issus de la biomasse. Leurs structures poreuses ont été modifiées au travers de la variation des formulations des mousses organiques précurseurs. D’autres mousses réticulées, constituées uniquement d’une ossature sans parois cellulaires, ont été préparées par réplication de mousses polymères commerciales. Les structures de l’ensemble des matériaux ont été caractérisées à l’aide de diverses méthodes telles que la microscopie électronique et la microtomographie X. Leurs propriétés physiques ont été étudiées par des mesures mécaniques, acoustiques, thermiques et électromagnétiques. La caractérisation mécanique a été réalisée en compression quasi-statique en menant une étude comparée avec et sans plaques collées sur les surfaces des échantillons. Les tests acoustiques ont été réalisés avec un tube d’impédance à deux microphones et par mesures de résistivité à l’air. La conductivité thermique a été étudiée par les méthodes Hot Disk et laser flash, cette dernière étant couplée à des mesures de dilatation thermique et de capacité calorifique. Les mesures électromagnétiques ont été effectuées dans une large gamme de fréquences, de 20 Hz jusqu’aux Térahertz et infrarouge lointain à l’aide de ponts RLC, analyseur de réseau et guides d’ondes, et spectromètres Térahertz et infrarouge. Ce travail a permis d’étudier l’influence précise de différents paramètres structuraux tels que la densité, la taille, l’inter-connectivité et la forme des cellules ou encore la tortuosité, sur les propriétés physiques des mousses. Il a été finalement possible, selon les cas, de valider des modèles existants, d’en proposer des versions plus raffinées, ou d’observer de nouveaux phénomènes / In this PhD work, alveolar materials in the form of carbon cellular and/or reticulated foams were produced in order to study and to model their physical properties. Cellular carbon foams were obtained by pyrolysis under nitrogen flow of rigid foams mainly derived from biomass-based tannins and furfuryl alcohol. The structures of these foams were tailored through the modification of the formulation of their organics precursors. The reticulated foams, only comprising a solid skeleton made of struts without cell walls, were prepared from polymeric commercial foams through a template method. The structures of all of these materials were thoroughly characterised by using different methods such as electron microscopy and X-ray microtomography. The physical properties of these foams were investigated through mechanical, acoustic, thermal and electromagnetic measurements. Mechanical characterisations were carried out in quasi-static compression through a comparative study with or without plates glued to the samples surfaces. The acoustic tests were done with a 2-microphones impedance tube and through air resistivity measurements. The thermal conductivity was investigated by Hot Disk and Laser flash methods, the latter being coupled with thermal expansion and heat capacity measurements. The electromagnetic characterisations were performed in a wide range of frequencies, from 20 Hz to terahertz and far infrared through LRC-meter, network analyser and waveguides, and terahertz and infrared spectrometers. This work allowed studying precisely the influence of different structural parameters such as density and cell size, interconnectivity and shape, as well as tortuosity, on the physical properties of foams. It was finally possible, depending on the cases, to check the validity of existing models, to suggest improvements or limitations, or to observe new phenomena.

L'objet de cette étude est de mieux formaliser et modéliser de façon générique le processus de structuration d'un produit par le procédé de foisonnement, en reliant les paramètres opératoires aux propriétés des mousses formées et de contribuer ainsi à un meilleur pilotage de l'opération. Une ligne de foisonnement par battage en continu a été instrumentée et l'évolution du diamètre des bulles en fonction des paramètres du produit et du procédé a été suivie pour des milieux modèles newtoniens et rhéofluidifiants. L'analyse dimensionnelle à l'échelle du procédé a permis d'aboutir à un modèle physique de l'opération, et donc d'avoir une compréhension des phénomènes en présence. Elle a aussi permis d'intégrer les paramètres du produit et du procédé et de simplifier la représentation des résultats expérimentaux. Enfin, la cohérence de ce modèle avec d'autres issus de la littérature et une première approche de validation avec un produit réel, semble justifier son caractère générique. / The aim of this study is to better formalize and model in a generic way the structuring of a product by the foaming operation process, by linking the operating parameters to the foams properties and contribute to a better steering of the operation. A continuous whipping line was instrumented and the evolution of bubble diameter depending on both product and process parameters was characterized for Newtonian and shear-thinning model fluids. Dimensional analysis of the process has lead to a physical model of the operation, and therefore makes possible the understanding of the phenomena involved. It also helped to integrate the product and the process parameters and simplify the representation of experimental results. Finally, the consistency of this model with others from the literature and a first validation with a real product seems to justify his relevance.

Deux émulsions cationiques modèles sont mises au contact avec un solide présentant une charge superficielle négative et avec une solution alcaline. Premièrement, lorsque des quantités déterminées de sable de Fontainebleau sont ajoutées sur une émulsion stabilisée par un ammonium quaternaire, la viscosité des émulsions résiduelles diminue avec l'addition de sable et l'hétérofloculation a lieu si nous ajoutons suffisamment de sable. Les résultats montrent que la concentration de la phase dispersée diminue et le processus dépends de la concentration de tensioactif dans la phase continue de l'émulsion. Etant donné que ni la taille des gouttes ni la distribution ne changent pendant l'addition des solides, nous proposons l'adsorption directe des gouttes sur la surface minérale, suivie par leur coalescence sur les particules de sable. Par ailleurs, lorsqu'une solution alcaline est rajoutée sur une émulsion stabilisée par une amine, l'équilibre chimique est rapidement perturbé. L'addition de NaOH implique la production d'amine, le volume effectif des gouttes diminue et le comportement rhéologique des émulsions évolue de rhéofluidifiant à Newtonien. La déstabilisation résultant de la remontée de pH est due à la coalescence des gouttes à cause de la déprotonation du tensioactif. La formulation interfaciale évolue à chaque addition de la solution alcaline et le système bascule vers la production d'une microémulsion très instable. Les conditions pour la déstabilisation des émulsions peuvent être optimisées par un suivi rhéologique, mais il est fondamental de tenir compte des diverses possibilités pouvant se présenter si le processus n'est pas contrôlé strictement / Two cationic model emulsions are contacted with a solid having a negative-charged surface and with a caustic soda solution. In one hand, emulsions stabilized by a quaternary ammonium are contacted with Fontainebleau sandstone, as a consequence, a viscosity reduction of the remaining emulsion is observed, as well as the emulsion break-up through a heteroflocculation mechanism provided the solid surface is large enough. Results show that the dispersed oil fraction decreases after addition of sandstone aliquots, and this depends on the concentration of surfactant in the continuous phase of the emulsion. As the droplet size and distribution remain constant during the process, it is assumed that the emulsion heteroflocculation is the result of direct oil droplets adhesion on the sand surface, followed by their coalescence around the sand particles. On the other hand, when an alkali solution is added to a model cationic oil-in-water emulsion, chemical equilibrium is rapidly affected. The effective droplets volume decreases and rheological behavior which firstly exhibits a shear-thinning behavior becomes gradually Newtonian. The abrupt emulsion destabilization by pH increase is the result of droplets coalescence as a consequence of electrostatic repulsions disappearance among droplets. The surfactant adsorption at the liquid-liquid interface changes, the optimal formulation is reached and emulsion becomes unstable. After all, the emulsion morphology, stability and even emulsion inversion are all controlled by pH. Emulsion destabilization can be studied by a rheological monitoring process but it is hardly recommended keep in mind all physicochemical phenomena if this method is not strictly controlled